第六章换热设备

第六章换热设备
第六章换热设备
第一节概述
一换热设备在炼油生产中的应用
在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的过程，这些过程总称为传热过程。

传热过程的进行需要通过一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备称之为换热设备。

据统计，在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的35~40%，因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关，如反应过程中，有的要放热，有的要吸热，要维持反应的连续进行，就必须排除多余的热量或补充反应所需的热量；工艺过程中某些废热和余热也需要加以回收利用，以降低成本。

另外，生产所得的油品或化工产品，需要将其冷却或冷凝，以便储存和运输。

以上这些与热量有关的过程都需要使用换热设备。

使用换热设备是为了达到加热或冷却的目的，如果将那些需要加热的液体与需要冷却的液体，经过换热设备相互换热，既可回收热量，又可降低冷却水的消耗。

综上所述，换热设备是炼油、化工生产中不可缺少的重要设备。

换热设备在动力、原子能、冶金及仪器等其他工业部门也有着广泛的应用。

二换热设备的分类
（一）按用途分类
1.换热器两种温度不同的流体进行热量交换，使一种流体降温另一种流体升温，以满
足各自的需要，这种换热设备称为换热器。

2.冷凝器两种温度不同的流体在进行热量交换过程中，有一种流体是从气态被冷凝成
为液态，但其温度变化并不大，这种换热设备称为冷凝器。

如塔顶油气经过冷凝器而
变为流体油品，此时冷凝温度并不高，一般多用水作为吸收热量
的流体，这部分热量
没有被利用而是散放于环境中。

3.重沸器重沸器也叫再沸器，其工作过程与冷凝器相反，即有一种流体被加热而蒸发
成为气体。

4.冷却器凡是热量不回收利用，而单纯只是为了使一种流体被冷却的设备称为冷却器。

根据其所用冷流体的不同，有水冷却器和空气冷却器，一般都是接在换热器的后面作
为最后将油品降温到可以进入油罐的一种手段。

5.加热器凡是利用废热单纯只是为了一种流体被加热而升温的设备称为加热器。

如管
式加热炉用的空气预热器，就是利用出炉的高温烟气的废热来加热进入炉子燃烧室的
空气，这样也回收了废热是经济的。

以上是从工艺用用途区分，若从其工作过程而言，习惯上都称其为换热器。

（二）按换热方式分类
1.混合式换热设备这种换热设备是使温度不同的两种流体直接接触与混合（允许完全混合的
流体）的作用来进行热量交换的。

如凉水塔、蒸汽直接加热的反应器、所流干燥器等。

2.蓄热式换热设备这种换热设备是让不同温度的两种流体先后分别渡过某一种固定填料（多
也格子砖、卵石等）的表面，首先是让高温流体渡过固体填料，把热量仁慈给填料并积在其中，然后停止高温流体再让低温流体流过固体填料，并将蓄积在填料中的热量走，这样在填料被反复加热和冷却的过程中，使不同温度的两种流体进行热量交换，这种换热设备必须成对联合使用，即一台通入高温流体时，另一台则通入低温流体，并靠自动阀进行切换，以维持生产的边疆进行。

蓄热式换热设备结构
紧凑、先进集体低，单位体积传热面积大；但不可避免的出现两种流体的少量混合，造成相互污染。

适用于气－气间的热量交换。

3.间壁式换热设备这种换热设备是炼油生产中应用最普遍的一种，其特点是不同温度的两种
流体被一固体壁面隔开，热量的仁慈通过固体壁面进行。

按传热面（固体壁面）的形状和结构性又可分为“管式”和板面式“两类。

三评价比较换热设备的指标
不同类型的换热设备其性能优劣一般可从如下几方面进行比较。

(1)效率要高。

效率高就是要求其传热系数大，传热系数是指在单位时间内、单位传热
面积上温度每变化一度所传递热量的多少
(2)结构要紧凑。

要使换热设备的结构紧凑就要求其比表面积要大，比表面积是指单位
体积的设备所具有的传热面积，即传热面积与设备体积之比。

(3)节省材料。

要做节省材料就要求其比重量要小，所谓比重是指单位传热面积所耗用
的金属量，即换热设备总金属用量与传热面积之比。

(4)压力降要小。

液体在设备中流动阻力小、压力损失就小，节省动力、操作成本低。

(5)要求结构可靠、制造成本低，全球安装、检修、使用周期长。

四换热设备的工作过程
（一）热量传递方式
换热设备工作过程的核心就是热量的传递过程。

热量传递的基本方式有三种，即传导传热、对流传热和辐射传热。

传导传热是热量从物体的高温部分沿物体本身传至低温部分的一种传热方式。

对流传热是靠液体或气体的流动，也就是各分子间相对位置的改变来传递热量的。

对流传热与传导传热最显著的区别是：通过物质分子间的流动改变其位置从而达到传递热量的目的，而传导传热物质并不发生流动，
热量是沿物质传递的。

故对流传热是液体间特有的传热方式，但在对流传热中也不可避免地伴随有传导传热。

对流传热若只是由于温度不同造成分子间相互位置改变而传递热量称为自然对流，若不仅有温差且还有外力作用使流体加速混合传递热量称为强制对流。

辐射传热是热能不借助任何传递介质，而是以电磁波的形式（称为辐射能）在空间传播，遇到另一物体时，辐射能被部分或全部吸收转变为热能。

（二）间壁式换热设备的换热过程
在工业生产实际中，三种基本传热方式一般都不是单独存在的，往往是相互伴随、同时出现，只不过是有些情况下某一种或两种传热方式占主要地位，而在另一些情况下则是另外一种或两种传热方式占主要地位。

在温度较低时以辐射方式传递的热量很少，只有在高温时才较为明显。

在间壁式换热设备中，主要是传导和对流两种传热方式。

传热速率与传热机种、冷热流体的温度差、传热系数均成正比。

因此增大传热面积，提高传热系数，增大冷热流体的温度差都可提高传热速率，但在实际应用中温度差是不能随意改变的，增大传热面积又会使设备的结构庞大，制造成本加大，而传热系数又与诸多因素不关，所以在吉应全面南征北战各种因素，综合分析，设计出既能满足工艺要求，结构又紧凑，且成本低廉，效率高的换热设备。

一般应从如下几方面考虑。

1.增加流体的流速，以增加流体的湍流程度来提高流体的传热系数，但增大流速会增加流体渡
过换热元件时的压力降，使泵的负荷加大，故应将传热系数和压力降综合考虑，采取适宜的
流速。

就流体本身言，粘度越小
2.尽量采用导热性能好的材料作为换热元件。

在使用过程中，固体壁面上往往会沉淀结垢，这
些污垢的导热系数很低，会大大降低设备的传热，所以换热设备要定期进行清扫除垢
3.流体的温度是由工艺条件确定的，所以两种流体的温度差是不可随意增大的，但若使两种流
体在设备中按逆（冷热流体流向相反）方式流动，可使其平均温差大于顺流时的平均温差，有利于热量的传递。

4.可通过在管式换热器中采用翅片管、波纹管和小直径的换热管等方式来增大传热面积，在板
片式换热器中由于传热表面是薄板，更易压制成各种形状，以增大传热面积和增加流体的湍流状态，提高传热效率。

五换热设备的选型
各种类型的换热设备有其自身的特点，选型时需要考虑的因素也很多。

如材料、温度、压力，流体的性质、压力降，设备的用途、制造、安装、检修及经济性等。

一般就遵循以下原则。

1.当高温、高压操作，处理量较大时，强度和结构的可靠性很重要，就选管壳换热。

2.对有强腐蚀的液体，就选耐腐蚀材料换热器。

3.若操作温度和压力都不高，处理量也不太大，但流体具有腐蚀性要求采用贵重金属材料时，
可选板面式换热器中的新型换热设备，如板片式、板翅式等，因为这些换热器具有传热效率高、结构紧凑、金属耗量少等突出的优点。

第二节管壳式换热器
一管壳式换热器的结构类型特点
管壳式换热器也称列管式换热器，虽然在传热效率、紧凑性及金属耗油量等方面不如近年来出现的其他新型换热器其具有结构坚固、可承受较高的压力、制造工艺成熟、适应性强及选票范围广等优点，目前，仍是炼油厂中应用最广泛的一种间壁式器，按其结构特点有如下几种形式。

（一）固定管板式换热器
管壳式换热器主要是由壳体、管束、管板、管箱及折流板等组成，管束和管板是刚性连接在一起的。

所谓“固定管板”是指管板和壳体之间也是刚性连接在一起，相互之间无相对移动。

这种换热器结构简
单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，每根换热管都
可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。

当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温度大于50℃时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小或消除温差应力。

固定管板式换热器适用于壳程液体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。

（二）浮头式换热器
浮头式换热器的一端管板是固定的。

与壳体刚性边接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不相连，活动管板一侧总称为浮头。

浮头式换热器的管束可从壳体中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在壳体中自由伸缩，所以无温差应力；但结构复杂、造价高，浮头处若密封不严会造成两种流体混合且不易察觉。

浮头式换热器适用于冷热流体温差较大（一般冷流进口与热流出口温差可达110℃）介质易结常需要清洗的场合。

在炼油厂使用的种类管壳式换热器中浮头式最多。

（三）U形管式换热器
U形管式换热器不同于固定管板式和浮头式，只有一块管板，换热管做成U字形、两端都固定在同一块管板上；管板和壳体之间通过固定在一起。

这种换热器结构简单、造价低，管束可在壳休内自由伸缩，无温差应力，也可将管束抽出清洗且还节省了一专任；但U形管管内清洗且管子更换也不方便，由于U形弯管半径不能太小，故与其他管壳式换热器相比布管较少，结构不够紧凑。

U形管式换热器适用于冷热流体温差较大，管内走清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较大的液体的场合。

（四）填料函式换热器
填料函式换热器与浮关式很相似，只是浮动管板一端与壳体之间采用填料函密封。

这种换热器管束也可自由伸缩、无温差应力，具有浮头式的优点且结构简单、制造方便、易于检修清洗，特别是对腐蚀严重、温差较大而经常要更换管束的冷却器，采用填料函式比浮关式和固定管板式更为优越；但由于填料密封性所限，不适用于壳程液体
易挥发、易燃、易爆及有毒的情况。

目前所使用的填料函式换热器直径大多在700mm以下，大直径的用得很少、尤其在操作压力及温度较高的条件下采用更少。

填料函式还有另一种形式，通常称为滑动管板式，它是将填料安置在壳体内部，其性能特点与填料函式基本相同，但这种结构若在填料处发生泄漏中，则造成两种流体混合明不易被发现，所以严禁用于两种流体混合后会造成严重事故或损失的场合。

二管壳式换热器的分程及流体流程
管壳式换热器工作时，和种流体走管内，称为管程，另一种流体走管外（壳体内），称为壳程。

管内流体从换热管一端流向另一端一次称为一程，对U形管式换热器管内流体从换热管一端经过U 形弯曲段流向另一端一次称为两程。

两管程以上（包括两管程）就需要在管板上设置分程隔板来实现分程，较常用的是单管程、两管程和四管程。

壳程有单壳程和双壳程两种，学用单壳程，壳程分程可通过在壳体中设置纵向挡板来实现。

冷热流体哪一个走管程，哪一个走壳程，需要考虑的因素很多难以有统一的定则；但总的要求是首选要有利于传热和防腐，其次是要减少流体流动阻力和结垢，便于清洗等。

一般可参考如下原则并结合具体工艺要求确定。

1.腐蚀性介质走管程，以免使管程和壳程材质都遭到腐蚀。

2.有毒介质走管程，这样泄漏的机会少一些。

3.流量小的流体走管程，以便选择理想的流速，流量大的液体宜走壳程。

4.高温、高压流体走管程，因管子直径较小可承受较高的压力。

5.容易结垢的液体在固定管板式和浮头式换热器中走管程、在U 形管式换热器中走壳程，这样
全球清洗和除垢；若是在冷却器中，一般是冷却水走管程、被冷却流体走壳程。

6.粘度大的流体走壳程，因为壳程流通截面和流向在不断变化，在低雷诺系数下利于传热。

7.流体的流向对传热也有较大的影响，为充分利用同一介质冷热对流的原理，以提高传热效率
和减少动力消耗，无论管程还是壳程，当流体被加热或蒸发时，流向应由下向上；当流体被冷却或冷凝时流向应由上向下。

三管式换热器的标准的介绍
（一）标准体系
管壳式换热有国家标准，也有行业标准。

GB151－89《钢制管壳式换热器》是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准。

该标准对钢制管壳式换热器各零部件的名称、组合形式、型号表示方法，材料及选用、设计计算的方法；制造、检验及验收标准和要求、安装、试车及维护等都作了详细的说明和规定。

是管壳
式换热器设计和制造的主要依据。

（二）管壳式换热器的基本参数
JB/T4714~4717对管壳式换热器的基本参数及组合作了详尽的规定。

（三）管壳式换热器型号及标记
管壳式换热器分为Ⅰ及和Ⅱ级。

Ⅰ级换热器采用较高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合；Ⅱ级换热器采用普通级冷拔换热管，适用于重沸、冷凝传热和无振动的一般场合。

换热器的型号按如下方式表示。

换热器类型标记示例：
平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54 m2，较高级冷拔换热管，外径25mm，管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器，标记为
AES500－1.6－54－6/25－4Ⅰ
封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力均为2.5MPa，设计压力均为1.6MPa公称换热面积200 m2，较高级冷拔换热管，外径25mm、管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，标记为BEM700－2.5/1.6－200－9/25－4Ⅰ
四管壳式换热器的主要零部件
（一）换热管及在管板上的排列形式
换热管是管壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热
有很大的影响。

小管径利于承受压力。

因而管壁较薄且在相同壳径内可排列较多的管子，合换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位传热面积的金属耗油量少，传热效率也稍高一些；但制造较麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。

对一般对清洁流体用小直径的管子，粘性较大的或污流体采用大直径的宅子。

我国管壳式换热器常用换热管为：碳钢、低合金钢有Φ19×2、Φ25×2.5、Φ38×3、Φ57×3.5；不锈钢管有Φ25×2、Φ38×2.5。

换热管的长度有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。

换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。

三角形排列布管多，结构紧凑，但管外清洗不便；正方形排列便于管外清洗，但布管较少、结构不够紧凑。

一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。

（二）管板及与换热管的连接
管板一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热管，在多管程换热器中管板上还设置分程隔板。

管板还起分隔管程和壳程空间，避免冷热流体混合的作用。

管板与换热管间可采胀接、焊接或二者并用的连接方式。

（三）壳体及与管板的连接
管壳式换热器的壳体都是圆筒形的，直径较小时用无缝钢管制作，直径较大时用钢板卷制焊接而成；壳体所用材料及要求与一般的压力容器相同。

不同类型的管壳式换热器其壳体与管板的连接方式不同，在固定管板式换热器中，两端管板均与壳体采用焊接连接，这种连接称为管板与壳体的不可拆连接；根据管板是否兼作法兰其结构不同，多数情况下采用管板兼作法半的结构。

在浮头式、U形管式换热器中固定端的管板与壳体采用可拆连接，将管板持在壳体法兰与管箱法兰
之间，这样便于管束从壳体中抽出进行清洗和维修。

（四）管箱
管箱的作用是将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。

在多管程换热器中，管箱还可通过设置隔板起分隔管程、改变流体方向的作用。

（五）折流板
折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘――圈环形平板，安装折流板迫使流体按规定的路径多次横几穿过管束，既提高了流速双啬了湍流程度，改善了传热效果，在卧式换热器中折流
板还可起到支持管束的作用。

但在冷凝器中，由于冷凝传热系数与蒸汽在设备中的流动状态无关，因此不需要设置折流板。

折流板一般应等间距布置，管束两端的折流板应尽是靠近壳程进、出口接管。

卧式换热器壳程为单相清洁流体时，弓形拆流板的缺口（弓形缺口）应水平上下布置，若气体事含有少量液体时应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口。

若液体中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板的最高处开通气孔，在卧式换热器、冷凝器及重沸器的壳程介质的气、液共存或液体中含有固体物料时，折流板的缺口应垂直左右布置，并在最低处开通液口，从传热学的角度考虑，有些卧式换热器（如冷凝器）并不需要设置拆流板，但为了增加管束的刚度，防止管子振动，仍需设置一定数量的支持板，支持板的形状和尺寸与折流板相同。

管壳式换热器除以上所介绍的主要零部件外，还有为防止壳程流体对换热管外壁的冲蚀而设置的防冲挡板、防冲接管及导流筒；为使壳程分程在壳体内设置地纵向挡板，为防止壳程介质“短路”而设置的旁路挡板；在固定管板式换热器上为了减小温差应力而设置的膨胀节等。

五管壳式换热器的检修与维护
在炼油、化工生产中，通过换热器的介质，有些含有焦炭及其他沉积物，有些具有腐蚀性，所以换热器使用一段时间后，会在换热管及壳体等过流部位积垢和形成锈蚀物；这样一方面降低了传热效率，
另一方面使管子流通截面减小而流阻增大，甚至造成堵塞。

另外，介质腐蚀也会使管束、壳体及其他零件受损；设备长期运转振动和受热不均匀，使管子胀接口及其他连接处也会发生泄漏。

这些都会影响换热器的正常操作，甚至迫使装置停工，因此对换热器必须加强日常维护，定期进行检查、检修，以保证生产的正常进行。

（一）换热器的日常维护
换热设备的运转周期就和生产装置的生产周期一致，为了保证换热设备的正常运转，满足生产装置的要求，除定期进行检查、检验外，日常的维护和修理也是不可缺少的。

日常操作应特别注意防止温度、压力的波动，首选应保证压力稳定，绝不允许超压运行。

在开停工进行扫线时最易泄漏问题，如浮头式换热器浮头处易发生泄漏，维修时应先打开浮头端外（大）封头从管程试压检查，有时会发现浮头不紧，这是由于长期受热产生了塑性变形所致。

通常采取的措施是当管束水压试验合格后，再用蒸汽试压，当温度上升至150~170时，可将再紧一次，这样浮头处密封性较好。

换热器故障大多数是由管子引起的，对于由于腐蚀子穿孔应及时更换，若只是个别管子损坏页更换又比较时，可用管堵将坏管两端堵死。

管堵材料的硬度又比较困难时，可用管堵将坏管两端堵死。

管堵材料的硬度应不超过管子材料的硬度，堵死的管子总数不得超过该管程总管数的10%。

对易结垢的换热器应及时进行清洗，以免影响传热效率。

（二）换热器的试压及检修顺序
试压是换热器检修的重要内容，不同类型的管壳式换热器，其试压的顺序也不尽相同，现以浮头式为例说明其检修和试压的顺序。

1.准备吹扫工具――拆除浮头端外头、管箱及法兰――拆除浮头端内封头――抽管束――检查、
清扫。

2.准备垫片、盲板及试压机具――安装管束――安装管箱、安装假浮头（做临时封头用）、壳体
法兰加盲板――向壳程注水――装配试压管线――试压（一）检查胀管口及换热管――拆假浮头、安装浮头端内封头及盲板盖。

3.管箱法兰加盲板――向管程注水、装配试压管线――试压（二）检查浮头端垫片管束――安
装浮头端外封头――向壳程注水――试压（三）检查壳体密封――拆除盲板、填写检修卡。

试压（一）的目的是检查换热管是否有破裂、胀接口是否有渗漏。

如管子有破裂放压后将其堵塞或更换，如胀接口有渗漏放压后进行寂胀、但补胀的次数不得超过3次，否则应更换新管。

各缺陷处理后重新升压试验，直到合格为止。

试压（二）的目的是检查安装质量，主要是检查浮头端内封头垫片及管束，如发现垫片处渗漏应分析原因并妥善处理。

试压（三）则是设备整体试压，主要检查浮头端外封头的安装质量。

（三）换热器的清洗
换热设备经长时间的运转后，由于介质的腐蚀、冲蚀、积垢、结焦等原因，使管子内外表面都有不同程度的结垢，甚至堵塞。

所以在停工检修时必须进行彻底清洗，以恢复其传热效果。

常用的清洗方（扫）方法有风扫、水洗、汽扫、化学清和机械清洗等。

对一般轻微堵塞和结垢，可用风吹和简单工具穿通（如用Φ8~12mm螺纹钢筋）即可达到较好的效果。

但对严重的结垢和堵塞，如冷凝、冷却器，一般都是由于水质中含有大量的钙、镁离子，在通过管束时水在管子表面蒸发，钙和镁的沉淀物沉积在管壁上形成坚硬的垢层，严重时会将管束中的一程或局部堵死，用一般的方法难以奏效，则必须用化学或机械等清洗方法。

第三节其他类型的间壁式换热设备
一水浸式冷却器
1.水浸式冷却器
2.喷淋式冷却器
二空气冷却器
（一）空冷器的结构及特点
空冷器由带有铝制翅片的管束、风机、构架等组成。